Amplification-free electrochemical biosensor composed of CRISPR/Cas12a and metal ion-intercalated DNA complex for viral detection

국문 초록 (Abstract)

기존의 바이오센서는 전염성 바이러스 핵산을 검출하기 위해 표적 증폭 단계를 필요로 하거나, 핵산에 형광 또는 라만 프로브를 표지하는 방식을 이용하는데, 이러한 과정은 시간과 비용이 많이 들고 절차가 복잡하다는 한계가 있다. 최근 CRISPR/Cas12a 시스템은 기존의 유전자 편집 기능을 넘어 핵산 바이오센서 개발 분야에서도 주목받고 있으나, 여전히 CRISPR/Cas 기반 바이오센서의 감도를 높이고 동시에 분석 과정을 단순화해야 한다는 과제가 남아있다. 본 연구에서는 바이러스 핵산을 증폭 단계 없이 간단한 방식으로 검출할 수 있는 CRISPR/Cas12a 기반 전기화학 바이오센서를 개발하였다. 이를 위해 감지 프로브로 불일치 은 프로브 (Mismatch Ag probe, MAP)를 사용하였으며, 전극 위 금 나노어레이를 도입하여 높은 전도성을 갖는 전극 (Gold electrode on indium tin oxide with a nano array, GELITION)을 제작하였다. 개발된 바이오센서는 인유두종 바이러스 16형과 18형 DNA를 대상으로 성능을 검증하였으며, 증폭과 같은 복잡한 과정 없이도 1 fM의 검출한계를 달성하여 고민감도 검출이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 제시한 바이오센서는 다양한 바이러스 검출에 적용될 수 있으며, 향후 팬데믹 시기 조기 진단에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To detect contagious viral nucleic acids, traditional biosensors often require target amplification steps or use fluorescence and Raman probes tagged on nucleic acids, which are time-consuming, complex, and expensive. Recently, the CRISPR/Cas12a has received the attraction for development of nucleic acid biosensors, beyond its conventional role like gene editing, but the enhancement of the sensitivity of CRISPR/Cas-based biosensor is still required to simplify the biosensing steps. Here, we develop a CRISPR/Cas12a-based electrochemical biosensor for detection of viral nucleic acids in a simple manner. The novel mismatch Ag probe (MAP), as a sensing probe, and the highly conductive gold electrode on indium tin oxide with a nano array (GELITION) are introduced that enable the amplification-free and ultrasensitive detection of nucleic acids using a CRISPR/Cas12a system. The biosensing ability of the developed biosensor is validated using human papillomavirus type 16 and 18 viral DNA (HPV16 and HPV18), achieving a limit of detection (LOD) of 1 fM without amplification and complex steps. Our developed biosensor is expected to be applicable in detecting various viruses and could contribute to the early detection of future pandemics.

목차 (Table of Contents)

• 1. Abstract 1
• 2. Introduction 3
• 3. Materials and Methods 9
• 4. Results and Discussion 20
• 5. Conclusion 49
• 6. References 53
• 7. 국문 논문제출서 60
• 8. 국문 인준서 61
• 9. Abstract in Korean 62